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EP3332486B1 - Schaltungselement zur datenkommunikation über eine versorgungsleitung - Google Patents

Schaltungselement zur datenkommunikation über eine versorgungsleitung Download PDF

Info

Publication number
EP3332486B1
EP3332486B1 EP16744679.8A EP16744679A EP3332486B1 EP 3332486 B1 EP3332486 B1 EP 3332486B1 EP 16744679 A EP16744679 A EP 16744679A EP 3332486 B1 EP3332486 B1 EP 3332486B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
communication
pole
supply
interface
circuit element
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
EP16744679.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP3332486A1 (de
Inventor
Patrick Nickel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP3332486A1 publication Critical patent/EP3332486A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP3332486B1 publication Critical patent/EP3332486B1/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B3/00—Line transmission systems
    • H04B3/54—Systems for transmission via power distribution lines
    • H04B3/548—Systems for transmission via power distribution lines the power on the line being DC
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B3/00—Line transmission systems
    • H04B3/54—Systems for transmission via power distribution lines
    • H04B3/56—Circuits for coupling, blocking, or by-passing of signals
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L25/00—Baseband systems
    • H04L25/02—Details ; arrangements for supplying electrical power along data transmission lines
    • H04L25/0264—Arrangements for coupling to transmission lines
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L25/00—Baseband systems
    • H04L25/02—Details ; arrangements for supplying electrical power along data transmission lines
    • H04L25/0264—Arrangements for coupling to transmission lines
    • H04L25/0266—Arrangements for providing Galvanic isolation, e.g. by means of magnetic or capacitive coupling
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B2203/00—Indexing scheme relating to line transmission systems
    • H04B2203/54—Aspects of powerline communications not already covered by H04B3/54 and its subgroups
    • H04B2203/5429—Applications for powerline communications
    • H04B2203/5445—Local network

Definitions

  • the invention relates to a circuit element for data communication via at least one supply line.
  • Today's motor vehicles contain modules that communicate with each other and exchange data. This includes, for example, measured values recorded by sensors that are transmitted to control units, as well as control signals for controlling modules.
  • Bus systems such as CAN or Ethernet are used to transmit data between control units. These bus systems include supply lines for supplying the control units with electrical energy and separate data lines for transmitting data to and from the control units.
  • the supply lines carry a supply voltage in the form of a low-frequency voltage, for example 50 Hz, or in the form of a direct voltage.
  • the data is transmitted as high-frequency signals via the supply lines.
  • the control units have corresponding circuits to separate the high-frequency signals from the supply voltage.
  • low-pass circuits are provided for decoupling the supply voltage and high-pass circuits for decoupling the high-frequency signals from the supply lines.
  • Each communication unit comprises a transformer with two magnetically coupled windings. One of the two windings is looped into the direct current line, and the data can be coupled out of the direct current line and into the direct current line via the other winding.
  • the coupling circuit arrangement comprises a power supply circuit which couples out a low-frequency alternating voltage from the alternating voltage line and rectifies it.
  • the coupling circuit arrangement also comprises a bandpass circuit for coupling out data from the alternating voltage line.
  • a modulator/demodulator unit for an alternating voltage line in particular for a medium voltage line with a nominal voltage of 12 kV, is known from WO 2013/127909 A1 known.
  • a circuit element for data communication via at least one supply line comprises at least one communication interface for connection to the at least one supply line, at least one supply interface which is connected to the at least one communication interface via a coupling coil, and at least one data interface which is connected to a secondary communication unit.
  • the supply line is used to transmit a supply voltage to supply the circuit element and other modules with electrical energy.
  • the supply voltage is in particular a direct voltage
  • the supply line is in particular a direct voltage line.
  • a low-frequency Alternating voltage with a frequency of 50 Hz or 60 Hz, for example, is conceivable as a supply voltage.
  • the supply line is also used to transmit data.
  • the data is present in the form of high-frequency signals and is superimposed on the supply voltage, i.e. the direct voltage or the low-frequency alternating voltage.
  • the coupling coil represents a relatively high impedance for the high-frequency signals. This means that an at least approximately smoothed direct voltage is present at the supply interface, for example, while the high-frequency signals are not present at the supply interface or are only very strongly attenuated.
  • the communication interface is connected to a primary communication unit via a coupling capacitor, and a coupling unit is provided by means of which the communication units can be coupled to one another.
  • the coupling capacitor represents a relatively low impedance for the high-frequency signals. Thus, only the high-frequency signals are present at the primary communication unit, while the supply voltage is blocked by the coupling capacitor.
  • the primary communication unit and the secondary communication unit are arranged within the circuit element.
  • the primary communication unit which is connected to the supply line via the communication interface, is used for data communication via the supply line.
  • the secondary communication unit which is connected to the data interface, is used for communication with components that are connected to the data interface, for example with sensors or with bus systems such as CAN bus or Ethernet.
  • the communication interface is designed to be two-pole, and one pole of the communication interface is directly connected to one pole of the two-pole supply interface.
  • the connection between the communication interface and the supply interface is thus designed to be asymmetrical.
  • the pole of the communication interface and the pole of the supply interface which are directly connected to each other, are connected to a ground.
  • the pole of the communication interface and the pole of the supply interface can also be directly connected to a common ground, for example a housing or a vehicle body. In this case, only a single wire is required for wiring the supply line.
  • the communication interface is designed to be two-pole, and each pole of the communication interface is connected to one pole of the two-pole primary communication unit via a separate coupling capacitor.
  • the communication interface is bipolar, and one pole of the communication interface is directly connected to one pole of the bipolar primary communication unit.
  • each primary communication unit has a modulator circuit and/or a demodulator circuit for modulating and/or demodulating the high-frequency signals.
  • a modulator circuit and/or a demodulator circuit for modulating and/or demodulating the high-frequency signals.
  • single-carrier modulation methods and multi-carrier modulation methods can be used.
  • the coupling unit has means for implementing various communication protocols.
  • a bandpass filter in particular a higher order bandpass filter, is additionally provided between the communication interface and the primary communication unit. This improves the quality of the output signals.
  • a circuit element according to the invention is advantageously used in an electric vehicle (EV), in a hybrid vehicle (HEV) or in a plug-in hybrid vehicle (PHEV).
  • EV electric vehicle
  • HEV hybrid vehicle
  • PHEV plug-in hybrid vehicle
  • the circuit element according to the invention is designed for data communication via a direct current line with a direct voltage.
  • the circuit element according to the invention can be used as a transmitter as well as a receiver. Communication in both directions in duplex mode in the time domain and in the frequency domain is also possible. A fixed time slot or a separate frequency is provided for each direction of communication.
  • the circuit element can be used for a point-to-point connection as well as in a bus system.
  • the communication can, for example, through packets, similar to Ethernet. In particular, communication can take place across several circuit elements acting as nodes. Encryption and decryption of the data traffic as well as authentication of the circuit element as a participant in the bus system are also possible.
  • the circuit element can also be used as a gateway between two bus systems.
  • the supply line of one bus system is connected to a primary communication unit via a communication interface
  • the supply line of the other bus system is connected to a further primary communication unit via a further communication interface.
  • the coupling unit has corresponding means for coupling the two communication units and for implementing the respective communication protocols, for example from CAN to Ethernet. Arbitration of a CAN bus to connect several segments of a CAN network is also conceivable.
  • FIG. 1 a schematic representation of a circuit element 10 for data communication via a supply line 12 is shown.
  • the circuit element 10 comprises several communication interfaces 20 for connection to a supply line 12 in each case.
  • the supply line 12 is a direct current line in the present case.
  • only one of the communication interfaces 20 is shown in detail, while another communication interface 20 is only indicated.
  • Each of the communication interfaces 20 is in this case designed as a two-pole and comprises a positive pole and a negative pole. Each pole of the communication interface 20 is connected via a coupling coil 22 to a supply unit 42, which in turn is connected to several, in this case three, supply interfaces 30. Each of the communication interfaces 20 is thus connected to the supply interfaces 30 via two coupling coils 22.
  • Each of the supply interfaces 30 is also designed to be two-pole and comprises a positive pole and a negative pole.
  • the supply interfaces 30 are used to feed in electrical energy by applying a supply voltage, in this case a direct voltage.
  • the applied supply voltage is fed into the supply lines 12 via the coupling coils 22.
  • the supply interfaces 30 are also used to forward electrical energy which is fed in via another supply interface 30 or via a supply line 12.
  • the supply unit 42 comprises a first busbar 44 and a second busbar 46.
  • the positive poles of the communication interfaces 20 are each connected to the first busbar 44 of the supply unit 42 via a coupling coil 22, and the negative poles of the Communication interfaces 20 are each connected to the second busbar 46 of the supply unit 42 via a coupling coil 22.
  • the positive poles of the supply interfaces 30 are connected to the first busbar 44 of the supply unit 42, and the negative poles of the supply interfaces 30 are connected to the second busbar 46 of the supply unit 42.
  • additional support capacitors can be connected between the busbars 44, 46 or between the poles of one of the supply interfaces 30.
  • Each pole of the communication interface 20 is also connected to a primary communication unit 60 via a coupling capacitor 24.
  • the primary communication unit 60 has a modulator circuit for modulating signals to be transmitted.
  • the primary communication unit 60 also has a demodulator circuit for demodulating received signals.
  • the circuit element 10 comprises a plurality of communication interfaces 20, whereby only one of the communication interfaces 20 is shown in detail in the illustration shown.
  • the other communication interfaces 20 are designed in a similar way to the communication interface 20 shown in detail and are each connected to a separate primary communication unit 60 via separate coupling capacitors 24.
  • the circuit element 10 also comprises several, in this case two, data interfaces 40 for connection to a sensor or to a separate bus system, for example CAB bus or Ethernet.
  • Each of the data interfaces 40 is here designed to be two-pole and connected to a separate secondary communication unit 50.
  • the secondary communication units 50 like the primary communication units 60, are arranged within the circuit element 10.
  • the primary communication units 60 are used for data communication via the supply lines 12.
  • the secondary communication units 50 are used for communication with components connected to the data interfaces 40.
  • the secondary communication units 50 and the primary communication units 60 are connected to a coupling unit 70.
  • the secondary communication units 50 and the primary communication units 60 can be coupled in pairs using the coupling unit 70. This means that one of the primary communication units 60 or one of the secondary communication units 50 can be coupled to another of the primary communication units 60 or another of the secondary communication units 50.
  • the coupling unit 70 has means for converting different communication protocols, for example from CAN to Ethernet.
  • the circuit element 10 can therefore be used, for example, as a gateway between two different bus systems.
  • the coupling unit 70 can also be used as a switching unit for more than two participants within the same bus system as a data switch.
  • FIG 2 is an exemplary topology of a communication system 5 with several, in this case four, circuit elements 10 is shown schematically.
  • the communication interfaces 20, the supply interfaces 30 and the data interfaces 40 of the individual circuit elements 10 are each designed as two-pole, but are only shown as one-pole in this illustration.
  • the supply lines 12 provided between the circuit elements 10 are each designed as two-pole, but are only shown as one-pole in this illustration.
  • the supply interface 30 of one of the circuit elements 10 is connected to a voltage supply 32, which in this case applies a direct voltage to the poles of the said supply interface 30.
  • the voltage supply 32 feeds electrical energy into the communication system 5.
  • the applied direct voltage is fed into one of the supply lines 12 via the coupling coils 22 (not shown). and forwarded to the next of the circuit elements 10. From there, the direct voltage is forwarded again via one of the supply lines 12 to the next of the circuit elements 10.
  • the data interface 40 of one of the circuit elements 10 is connected to a separate bus system 52. Data from this separate bus system 52 are coupled in the form of high-frequency signals from the said data interface 40 of the circuit element 10 into one of the supply lines 12.
  • the said centrally located circuit element 10 has three communication interfaces 20 for this purpose.
  • FIG 3 shows a schematic representation of a communication system 5 with simplified circuit elements 10'.
  • the simplified circuit elements 10' are connected to a supply line 12.
  • the supply line 12 has an ohmic line resistance 14 and a line inductance 16.
  • the ohmic line resistance 14 and the line inductance 16 are only shown in one wire of the supply line 12 in this representation.
  • Each of the simplified circuit elements 10' comprises a two-pole communication interface 20 and a two-pole supply interface 30.
  • One pole of the communication interface 20 is directly connected to one pole of the supply interface 30.
  • the other pole of the communication interface 20 is connected to the other pole of the supply interface 30 via a coupling coil 22.
  • Each of the simplified circuit elements 10' also comprises a two-pole primary communication unit 60.
  • One pole of the communication interface 20 is directly connected to a pole of the primary communication unit 60.
  • the other pole of the Communication interface 20 is connected to the other pole of the primary communication unit 60 via a coupling capacitor 24.
  • each of the simplified circuit elements 10' comprises a two-pole data interface 40, which is connected to a two-pole secondary communication unit 50.
  • Each of the simplified circuit elements 10' also comprises a coupling unit 70 for coupling the secondary communication unit 50 to the primary communication unit 60.
  • the supply interface 30 of one of the simplified circuit elements 10' is connected to a voltage supply 32, which in this case feeds in a direct voltage.
  • the voltage supply 32 comprises a voltage source 34 and an internal resistor 36.
  • the supply interface 30 of the other of the simplified circuit elements 10' is connected to a consumer 37.
  • the consumer 37 comprises a load resistor 38.
  • the voltage supply 32 thus feeds electrical energy into the communication system 5 to supply the two simplified circuit elements 10' and the consumer 37. Electrical energy is transmitted via the supply line 12 between the two simplified circuit elements 10'.
  • the data interface 40 of one of the simplified circuit elements 10' receives data which is coupled into the supply line 12 in the form of high-frequency signals via the coupling capacitor 24.
  • the high-frequency signals are coupled out of the supply line 12 via the coupling capacitor 24 and the data is transmitted to the data interface 40 of the other of the simplified circuit elements 10'.
  • the inductance of the coupling coil 22 of the simplified circuit element 10' should be relatively large.
  • the inductance 22 of the Coupling coil 22 in the simplified circuit element 10' must be larger than the line inductance 16 of the supply line 12.
  • circuit element 10 is valid. This means that the inductance of the two coupling coils 22 of the circuit element 10 should be greater than the line inductance 16 of a supply line 12 connected to the communication interface 20.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Dc Digital Transmission (AREA)
  • Cable Transmission Systems, Equalization Of Radio And Reduction Of Echo (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Schaltungselement zur Datenkommunikation über mindestens eine Versorgungsleitung.
    • Stand der Technik
  • In heutigen Kraftfahrzeugen sind Module vorhanden, welche miteinander kommunizieren und Daten austauschen. Dabei handelt es beispielsweise um von Sensoren aufgenommene Messwerte, die zu Steuergeräten übertragen werden, sowie um Steuersignale zur Ansteuerung von Modulen.
  • Zur Übertragung von Daten zwischen Steuergeräten werden beispielsweise Bussysteme wie CAN oder Ethernet eingesetzt. Diese Bussysteme umfassen dabei Versorgungsleitungen zur Versorgung der Steuergeräte mit elektrischer Energie und davon separate Datenleitungen zur Übertragung der Daten von und zu den Steuergeräten.
  • Es sind auch Systeme zur Datenübertragung bekannt, bei welchen Daten über die Versorgungsleitungen mit übertragen werden. Die Versorgungsleitungen führen dabei eine Versorgungsspannung in Form einer niederfrequenten Spannung, beispielsweise 50 Hz, oder in Form einer Gleichspannung. Die Daten werden dabei als hochfrequente Signale über die Versorgungsleitungen übertragen.
  • Die Steuergeräte weisen entsprechende Schaltungen auf, um die hochfrequenten Signale von der Versorgungsspannung zu trennen. Dabei sind insbesondere Tiefpassschaltungen zur Auskopplung der Versorgungsspannung und Hochpassschaltungen zur Auskopplung der hochfrequenten Signale aus den Versorgungsleitungen vorgesehen.
  • Aus der DE 10 2013 105 209 A1 sind ein Verfahren und ein System zur Übertragung von Daten zwischen Kommunikationseinheiten über Gleichspannungsleitungen bekannt. Dabei umfasst jede Kommunikationseinheit einen Transformator mit zwei magnetisch gekoppelten Wicklungen. Eine der beiden Wicklungen ist dabei in die Gleichspannungsleitung eingeschleift, und über die andere Wicklung sind die Daten aus der Gleichspannungsleitung auskoppelbar sowie in die Gleichspannungsleitung einkoppelbar.
  • Aus der US 2005/0069321 A1 ist eine Koppelschaltungsanordnung für eine Datenübertragung über Wechselspannungsleitungen bekannt. Die Koppelschaltungsanordnung umfasst dabei eine Energieversorgungsschaltung, welche aus der Wechselspannungsleitung eine niederfrequente Wechselspannung auskoppelt und gleichrichtet. Ferner umfasst die Koppelschaltungsanordnung eine Bandpassschaltung zur Auskopplung von Daten aus der Wechselspannungsleitung.
  • Eine Modulator/Demodulator-Einheit für eine Wechselspannungsleitung, insbesondere für eine Mittelspannungsleitung mit einer Nennspannung von 12 kV, ist aus der WO 2013/127909 A1 bekannt.
  • Aus der KR 2008 0073171 A ist ein weiteres Beispiel für ein Schaltungselement zur Datenkommunikation über eine Versorgungsleitung bekannt.
    • Offenbarung der Erfindung
  • Es wird ein Schaltungselement zur Datenkommunikation über mindestens eine Versorgungsleitung vorgeschlagen. Das Schaltungselement umfasst dabei mindestens eine Kommunikationsschnittstelle zum Anschluss an die mindestens eine Versorgungsleitung, mindestens eine Versorgungsschnittstelle, die über eine Koppelspule mit der mindestens einen Kommunikationsschnittstelle verbunden ist, und mindestens eine Datenschnittstelle, die mit einer sekundären Kommunikationseinheit verbunden ist.
  • Die Versorgungsleitung dient dabei zur Übertragung einer Versorgungsspannung zur Versorgung des Schaltungselements und weiterer Module mit elektrischer Energie. Bei der Versorgungsspannung handelt es sich insbesondere um eine Gleichspannung, und bei der Versorgungsleitung handelt es sich insbesondere um eine Gleichspannungsleitung. Aber auch eine niederfrequente Wechselspannung mit einer Frequenz von beispielsweise 50 Hz oder 60 Hz ist als Versorgungsspannung denkbar. Die Versorgungsleitung dient ebenso zur Übertragung von Daten. Die Daten liegen dabei in Form von hochfrequenten Signalen vor und sind der besagten Versorgungsspannung, also der Gleichspannung oder der niederfrequenten Wechselspannung, überlagert. Für die hochfrequenten Signale stellt die Koppelspule eine verhältnismäßig hohe Impedanz dar. Somit liegt an der Versorgungsschnittstelle beispielsweise eine zumindest annähernd geglättete Gleichspannung an, während die hochfrequenten Signale an der Versorgungsschnittstelle nicht oder nur sehr stark gedämpft vorhanden sind.
  • Erfindungsgemäß ist die Kommunikationsschnittstelle dabei über einen Koppelkondensator mit einer primären Kommunikationseinheit verbunden, und es ist eine Koppeleinheit vorgesehen, mittels welcher die Kommunikationseinheiten miteinander koppelbar sind.
  • Für die hochfrequenten Signale stellt der Koppelkondensator eine verhältnismäßig geringe Impedanz dar. Somit liegen an der primären Kommunikationseinheit nur die hochfrequenten Signale an, während die Versorgungsspannung von dem Koppelkondensator geblockt wird.
  • Die primäre Kommunikationseinheit und die sekundäre Kommunikationseinheit sind dabei innerhalb des Schaltungselements angeordnet. Die primäre Kommunikationseinheit, die über die Kommunikationsschnittstelle mit der Versorgungsleitung verbunden ist, dient zur Datenkommunikation über die Versorgungsleitung. Die sekundäre Kommunikationseinheit, die mit der Datenschnittstelle verbunden ist, dient zur Kommunikation mit Komponenten, die an die Datenschnittstelle angeschlossen sind, beispielsweise mit Sensoren oder mit Bussystemen wie CAN-Bus oder Ethernet.
  • Gemäß der Erfindung ist die Kommunikationsschnittstelle zweipolig ausgebildet, und ein Pol der Kommunikationsschnittstelle ist direkt mit einem Pol der zweipolig ausgebildeten Versorgungsschnittstelle verbunden. Die Verbindung zwischen der Kommunikationsschnittstelle und der Versorgungsschnittstelle ist somit asymmetrisch ausgeführt.
  • Der Pol der Kommunikationsschnittstelle und der Pol der Versorgungsschnittstelle, die direkt miteinander verbunden sind, sind mit einer Masse verbunden. Dabei können der Pol der Kommunikationsschnittstelle und der Pol der Versorgungsschnittstelle auch direkt mit einer gemeinsamen Masse, beispielsweise einem Gehäuse oder einer Fahrzeugkarosserie, verbunden sein. In diesem Fall ist nur eine einzige Ader für die Verdrahtung der Versorgungsleitung erforderlich.
  • Gemäß noch einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Kommunikationsschnittstelle zweipolig ausgebildet, und jeder Pol der Kommunikationsschnittstelle ist über einen separaten Koppelkondensator mit je einem Pol der zweipolig ausgebildeten primären Kommunikationseinheit verbunden.
  • Gemäß noch einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Kommunikationsschnittstelle zweipolig ausgebildet, und ein Pol der Kommunikationsschnittstelle ist direkt mit einem Pol der zweipolig ausgebildeten primären Kommunikationseinheit verbunden.
  • Gemäß der Erfindung weist jede primäre Kommunikationseinheit eine Modulatorschaltung und/oder eine Demodulatorschaltung zur Modulation und/oder zur Demodulation der hochfrequenten Signale auf. Beispielsweise sind Single-Carrier-Modulationsverfahren sowie Multi-Carrier-Modulationsverfahren einsetzbar.
  • Gemäß der Erfindung weist die Koppeleinheit Mittel zur Umsetzung verschiedener Kommunikationsprotokolle auf.
  • Vorteilhaft ist zwischen der Kommunikationsschnittstelle und der primären Kommunikationseinheit zusätzlich ein Bandpassfilter, insbesondere ein Bandpassfilter höherer Ordnung, vorgesehen. Dadurch ist die Qualität der ausgekoppelten Signale verbessert.
  • Ein erfindungsgemäßes Schaltungselement findet vorteilhaft Verwendung in einem Elektrofahrzeug (EV), in einem Hybridfahrzeug (HEV) oder in einem Plug-In-Hybridfahrzeug (PHEV).
    • Vorteile der Erfindung
  • Das erfindungsgemäße Schaltungselement ist zur Datenkommunikation über eine Gleichspannungsleitung mit einer Gleichspannung konzipiert. Aber auch eine Datenkommunikation über eine Wechselspannungsleitung mit einer niederfrequenten Wechselspannung, beispielsweise mit einer Frequenz von 50 Hz, ist möglich.
  • Das erfindungsgemäße Schaltungselement ist als Sender ebenso wie als Empfänger einsetzbar. Auch eine Kommunikation in beide Richtungen im Duplexbetrieb im Zeitbereich sowie im Frequenzbereich ist möglich. Hierbei ist für jede Kommunikationsrichtung ein fester Zeitschlitz oder eine separate Frequenz vorgesehen.
  • Das Schaltungselement ist für eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung ebenso einsetzbar wie in einem Bussystem. Die Kommunikation kann beispielsweise durch Pakete, ähnlich wie bei Ethernet, erfolgen. Insbesondere kann die Kommunikation über mehrere als Knotenpunkte fungierende Schaltungselemente hinweg erfolgen. Auch eine Verschlüsselung und Entschlüsselung des Datenverkehrs sowie einer Authentifizierung des Schaltungselements als Teilnehmer in dem Bussystem sind möglich.
  • Ferner ist das Schaltungselement auch als Gateway zwischen zwei Bussystemen einsetzbar. Dabei ist die Versorgungsleitung des einen Bussystems über eine Kommunikationsschnittstelle mit einer primären Kommunikationseinheit verbunden, und die Versorgungsleitung des weiteren Bussystems ist über eine weitere Kommunikationsschnittstelle mit einer weiteren primären Kommunikationseinheit verbunden. Die Koppeleinheit weist entsprechende Mittel zur Kopplung der beiden Kommunikationseinheiten und zur Umsetzung der jeweiligen Kommunikationsprotokolle, beispielsweise von CAN auf Ethernet, auf. Auch eine Arbitrierung eines CAN-Busses zur Verbindung mehrerer Segmente eines CAN-Netzwerks ist denkbar.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
    • Figur 1
    eine schematische Darstellung eines Schaltungselements,
    Figur 2
    eine schematische Darstellung einer beispielhaften Topologie eines Kommunikationssystems und
    Figur 3
    eine schematische Darstellung eines Kommunikationssystems mit vereinfachten Schaltungselementen.
    Ausführungsformen der Erfindung
  • In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
  • In Figur 1 ist eine schematische Darstellung eines Schaltungselements 10 zur Datenkommunikation über eine Versorgungsleitung 12 gezeigt. Das Schaltungselement 10 umfasst vorliegend mehrere Kommunikationsschnittstellen 20 zum Anschluss an jeweils eine Versorgungsleitung 12. Die Versorgungsleitung 12 ist vorliegend eine Gleichspannungsleitung. In der gezeigten Darstellung ist dabei nur eine der Kommunikationsschnittstellen 20 detailliert dargestellt, während eine weitere Kommunikationsschnittstelle 20 nur angedeutet ist.
  • Jede der Kommunikationsschnittstellen 20 ist vorliegend zweipolig ausgeführt und umfasst einen Pluspol und einen Minuspol. Jeder Pol der Kommunikationsschnittstelle 20 ist über eine Koppelspule 22 mit einer Versorgungseinheit 42 verbunden, welche wiederum mit mehreren, vorliegend drei, Versorgungsschnittstellen 30 verbunden ist. Jede der Kommunikationsschnittstellen 20 ist somit über zwei Koppelspulen 22 mit den Versorgungsschnittstellen 30 verbunden.
  • Auch jede der Versorgungsschnittstellen 30 ist vorliegend zweipolig ausgeführt und umfasst einen Pluspol und einen Minuspol. Die Versorgungsschnittstellen 30 dienen zum Einspeisen von elektrischer Energie durch Anlegen einer Versorgungsspannung, vorliegend einer Gleichspannung. Die angelegte Versorgungsspannung wird über die Koppelspulen 22 in die Versorgungsleitungen 12 eingespeist. Die Versorgungsschnittstellen 30 dienen auch zum Weiterleiten von elektrischer Energie, welche über eine andere Versorgungsschnittstelle 30 oder über eine Versorgungsleitung 12 eingespeist wird.
  • Die Versorgungseinheit 42 umfasst dazu eine erste Sammelschiene 44 und eine zweite Sammelschiene 46. Die Pluspole der Kommunikationsschnittstellen 20 sind über jeweils eine Koppelspule 22 mit der ersten Sammelschiene 44 der Versorgungseinheit 42 verbunden, und die Minuspole der Kommunikationsschnittstellen 20 sind über jeweils eine Koppelspule 22 mit der zweiten Sammelschiene 46 der Versorgungseinheit 42 verbunden.
  • Die Pluspole der Versorgungsschnittstellen 30 sind mit der ersten Sammelschiene 44 der Versorgungseinheit 42 verbunden, und die Minuspole der Versorgungsschnittstellen 30 sind mit der zweiten Sammelschiene 46 der Versorgungseinheit 42 verbunden. Zur Glättung der Gleichspannung sowie zur Reduktion von hochfrequenten Störungen können zusätzlich Stützkondensatoren zwischen die Sammelschienen 44, 46 oder zwischen die Pole einer der Versorgungsschnittstellen 30 geschaltet werden.
  • Jeder Pol der Kommunikationsschnittstelle 20 ist ferner über einen Koppelkondensator 24 mit einer primären Kommunikationseinheit 60 verbunden. Die primäre Kommunikationseinheit 60 weist eine Modulatorschaltung zur Modulation von zu übertragenden Signalen auf. Ebenso weist die primäre Kommunikationseinheit 60 eine Demodulatorschaltung zur Demodulation von empfangenen Signalen auf.
  • Wie bereits erwähnt, umfasst das Schaltungselement 10 mehrere Kommunikationsschnittstellen 20, wobei in der gezeigten Darstellung nur eine der Kommunikationsschnittstellen 20 detailliert dargestellt ist. Die weiteren Kommunikationsschnittstellen 20 sind gleichartig zu der detailliert dargestellten Kommunikationsschnittstelle 20 ausgebildet und über separate Koppelkondensatoren 24 mit jeweils einer separaten primären Kommunikationseinheit 60 verbunden.
  • Das Schaltungselement 10 umfasst auch mehrere, vorliegend zwei, Datenschnittstellen 40 zum Anschluss an jeweils einen Sensor oder an ein separates Bussystem, beispielsweise CAB-Bus oder Ethernet. Jede der Datenschnittstellen 40 ist dabei vorliegend zweipolig ausgeführt und mit einer separaten sekundären Kommunikationseinheit 50 verbunden.
  • Die sekundären Kommunikationseinheiten 50 sind ebenso wie die primären Kommunikationseinheiten 60 innerhalb des Schaltungselements 10 angeordnet. Die primären Kommunikationseinheiten 60 dienen zur Datenkommunikation über die Versorgungsleitungen 12. Die sekundären Kommunikationseinheiten 50 dienen zur Kommunikation mit an den Datenschnittstellen 40 angeschlossenen Komponenten.
  • Die sekundären Kommunikationseinheiten 50 und die primären Kommunikationseinheiten 60 sind mit einer Koppeleinheit 70 verbunden. Mittels der Koppeleinheit 70 sind die sekundären Kommunikationseinheiten 50 und die primären Kommunikationseinheiten 60 paarweise koppelbar. Das bedeutet, es kann jeweils eine der primären Kommunikationseinheiten 60 oder eine der sekundären Kommunikationseinheit 50 mit jeweils einer anderen der primären Kommunikationseinheiten 60 oder einer anderen der sekundären Kommunikationseinheit 50 gekoppelt werden.
  • Die Koppeleinheit 70 weist dazu Mittel zur Umsetzung verschiedener Kommunikationsprotokolle, beispielsweise von CAN auf Ethernet, auf. Somit ist das Schaltungselement 10 beispielsweise als Gateway zwischen zwei verschiedenen Bussystemen einsetzbar. Weiterhin kann die Koppeleinheit 70 auch als Vermittlungseinheit von mehr als zwei Teilnehmern innerhalb des gleichen Bussystems als Data Switch genutzt werden.
  • In Figur 2 ist eine beispielhaften Topologie eines Kommunikationssystems 5 mit mehreren, vorliegend vier, Schaltungselementen 10 schematisch darstellt. Die Kommunikationsschnittstellen 20, die Versorgungsschnittstellen 30 sowie die Datenschnittstellen 40 der einzelnen Schaltungselementen 10 sind jeweils zweipolig ausgeführt, aber in dieser Darstellung nur einpolig gezeichnet. Ebenso sind die zwischen den Schaltungselementen 10 vorgesehenen Versorgungsleitungen 12 jeweils zweipolig ausgeführt, aber in dieser Darstellung nur einpolig gezeichnet.
  • Die Versorgungsschnittstelle 30 von einem der Schaltungselemente 10 ist mit einer Spannungsversorgung 32 verbunden, welche vorliegend eine Gleichspannung an die Pole der besagten Versorgungsschnittstelle 30 anlegt. Dadurch speist die Spannungsversorgung 32 elektrische Energie in das Kommunikationssystem 5 ein. Die angelegte Gleichspannung wird über die nicht dargestellten Koppelspulen 22 in eine der Versorgungsleitungen 12 eingespeist und zu dem nächsten der Schaltungselemente 10 weitergeleitet. Von dort wird die Gleichspannung wieder über eine der Versorgungsleitungen 12 zu dem jeweils nächsten der Schaltungselemente 10 weitergeleitet.
  • Die Datenschnittstelle 40 von einem der Schaltungselemente 10 ist mit einem separaten Bussystem 52 verbunden. Daten von diesem separaten Bussystem 52 werden in Form hochfrequenter Signale von der besagten Datenschnittstelle 40 des Schaltungselements 10 in eine der Versorgungsleitungen 12 eingekoppelt.
  • Das in der gezeigten Darstellung zentral gelegene Schaltungselement 10 des Kommunikationssystems 5 dient als Gateway. Das bedeutet, das besagte Schaltungselement 10 empfängt Daten von einer der Versorgungsleitungen 12 und koppelt die empfangenen Daten in die anderen angeschlossenen Versorgungsleitungen 12 ein. Das besagte, zentral gelegene Schaltungselement 10 weist dazu vorliegend drei Kommunikationsschnittstellen 20 auf.
  • Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Kommunikationssystems 5 mit vereinfachten Schaltungselementen 10'. Die vereinfachten Schaltungselemente 10' sind dabei an eine Versorgungsleitung 12 angeschlossen. Die Versorgungsleitung 12 weist einen ohmschen Leitungswiderstand 14 und eine Leitungsinduktivität 16 auf. Der ohmsche Leitungswiderstand 14 sowie die Leitungsinduktivität 16 sind in dieser Darstellung nur in einer Ader der Versorgungsleitung 12 eingezeichnet.
  • Jedes der vereinfachten Schaltungselemente 10' umfasst eine zweipolig ausgeführte Kommunikationsschnittstelle 20 und eine zweipolig ausgeführte Versorgungsschnittstelle 30. Ein Pol der Kommunikationsschnittstelle 20 ist dabei direkt mit einem Pol der Versorgungsschnittstelle 30 verbunden. Der andere Pol der Kommunikationsschnittstelle 20 ist über eine Koppelspule 22 mit dem anderen Pol der Versorgungsschnittstelle 30 verbunden.
  • Auch umfasst jedes der vereinfachten Schaltungselemente 10' eine zweipolig ausgeführte primäre Kommunikationseinheit 60. Ein Pol der Kommunikationsschnittstelle 20 ist dabei direkt mit einem Pol der primären Kommunikationseinheit 60 verbunden. Der andere Pol der Kommunikationsschnittstelle 20 ist über einen Koppelkondensator 24 mit dem anderen Pol der primären Kommunikationseinheit 60 verbunden.
  • Ferner umfasst jedes der vereinfachten Schaltungselemente 10' eine zweipolig ausgeführte Datenschnittstelle 40, welche mit einer zweipolig ausgeführten sekundären Kommunikationseinheit 50 verbunden ist. Auch umfasst jedes der vereinfachten Schaltungselemente 10' eine Koppeleinheit 70 zur Kopplung der sekundären Kommunikationseinheit 50 mit der primären Kommunikationseinheit 60.
  • Die Versorgungsschnittstelle 30 eines der vereinfachten Schaltungselemente 10' ist mit einer Spannungsversorgung 32 verbunden, welche vorliegend eine Gleichspannung einspeist. Die Spannungsversorgung 32 umfasst eine Spannungsquelle 34 sowie einen Innenwiderstand 36. Die Versorgungsschnittstelle 30 des anderen der vereinfachten Schaltungselemente 10' ist mit einem Verbraucher 37 verbunden. Der Verbraucher 37 umfasst einen Lastwiderstand 38.
  • Die Spannungsversorgung 32 speist somit elektrische Energie zur Versorgung der beiden vereinfachten Schaltungselemente 10' sowie des Verbrauchers 37 in das Kommunikationssystem 5 ein. Dabei wird elektrische Energie über die Versorgungsleitung 12 zwischen den beiden vereinfachten Schaltungselementen 10' übertragen.
  • Die Datenschnittstelle 40 von einem der vereinfachten Schaltungselemente 10' empfängt Daten, die in Form von hochfrequenten Signalen über den Koppelkondensator 24 in die Versorgungsleitung 12 eingekoppelt werden. Im dem anderen der vereinfachten Schaltungselemente 10' werden die hochfrequenten Signale über den Koppelkondensator 24 aus der Versorgungsleitung 12 ausgekoppelt, und die Daten werden an die Datenschnittstelle 40 des anderen der vereinfachten Schaltungselemente 10' übertragen.
  • Die Induktivität der Koppelspule 22 des vereinfachten Schaltungselements 10' sollte dabei verhältnismäßig groß sein. Insbesondere sollte die Induktivität 22 der Koppelspule 22 in dem vereinfachten Schaltungselement 10' größer sein als die Leitungsinduktivität 16 der Versorgungsleitung 12.
  • Diese Betrachtung ist auch für das in Figur 1 und Figur 2 gezeigte Schaltungselement 10 gültig. Das bedeutet, die Induktivität der beiden Koppelspulen 22 des Schaltungselements 10 sollte größer sein als die Leitungsinduktivität 16 einer an die Kommunikationsschnittstelle 20 angeschlossene Versorgungsleitung 12.
  • Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervor gehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen des fachmännischen Handelns liegen.

Claims (4)

  1. Schaltungselement (10,10') zur Datenkommunikation über mindestens eine Versorgungsleitung (12), umfassend mindestens eine Kommunikationsschnittstelle (20) zum Anschluss an die mindestens eine Versorgungsleitung (12),
    mindestens eine über eine Koppelspule (22) mit der mindestens einen Kommunikationsschnittstelle (20) verbundene Versorgungsschnittstelle (30) und
    mindestens eine mit einer sekundären Kommunikationseinheit (50) verbundene Datenschnittstelle (40), wobei
    das Schaltungselement (10,10') mehrere Kommunikationsschnittstellen (20) zum Anschluss an jeweils eine Versorgungsleitung (12), welche über separate Koppelkondensatoren (24) mit jeweils einer separaten primären Kommunikationseinheit (60) verbunden sind, wobei jede primäre Kommunikationseinheit (60) eine Modulatorschaltung und/oder eine Demodulatorschaltung aufweist, und
    mehrere Datenschnittstellen (40), wobei
    jede der Datenschnittstellen (40) mit einer separaten sekundären Kommunikationseinheit (50) verbunden ist, umfasst, und wobei
    mittels einer Koppeleinheit (70) jeweils eine der primären Kommunikationseinheiten (60) oder eine der sekundären Kommunikationseinheit (50) mit jeweils einer anderen der primären Kommunikationseinheiten (60) oder einer anderen der sekundären Kommunikationseinheit (50) koppelbar ist, wobei die Koppeleinheit (70) Mittel zur Umsetzung verschiedener Kommunikationsprotokolle aufweist, und wobei
    die Kommunikationsschnittstelle (20) zweipolig ausgebildet ist, und dass ein Pol der Kommunikationsschnittstelle (20) direkt mit einem Pol der zweipolig ausgebildeten Versorgungsschnittstelle (30) und einer Masse verbunden ist.
  2. Schaltungselement (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Pol der Kommunikationsschnittstelle (20) über einen separaten Koppelkondensator (24) mit je einem Pol der zweipolig ausgebildeten primären Kommunikationseinheit (60) verbunden ist.
  3. Schaltungselement (10,10') nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass
    ein Pol der Kommunikationsschnittstelle (20) direkt mit einem Pol der zweipolig ausgebildeten primären Kommunikationseinheit (60) verbunden ist.
  4. Schaltungselement (10,10') nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
    zwischen der Kommunikationsschnittstelle (20) und der primären Kommunikationseinheit (60) zusätzlich ein Bandpassfilter vorgesehen ist.
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